機(jī)器人技術(shù)概論講義

1、- - - .可修編 . z.機(jī)器人技術(shù)概論講義-. z.目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc343368883第一章機(jī)器人概論 PAGEREF _Toc343368883 h - 1 -HYPERLINK l _Toc343368884機(jī)器人概論研究的容 PAGEREF _Toc343368884 h - 1 -HYPERLINK l _Toc343368885什么是機(jī)器人？ PAGEREF _Toc343368885 h - 1 -HYPERLINK l _Toc343368886機(jī)器人的開(kāi)展 PAGEREF _Toc343368886 h - 2 -HYPE

2、RLINK l _Toc343368887為什么要開(kāi)展機(jī)器人？ PAGEREF _Toc343368887 h - 3 -HYPERLINK l _Toc343368888機(jī)器人開(kāi)展的三個(gè)階段 PAGEREF _Toc343368888 h - 3 -HYPERLINK l _Toc343368889機(jī)器人學(xué) PAGEREF _Toc343368889 h - 4 -HYPERLINK l _Toc343368890機(jī)器人的分類(lèi) PAGEREF _Toc343368890 h - 4 -HYPERLINK l _Toc343368891第二章機(jī)器人的數(shù)學(xué)根底 PAGEREF _Toc34336

3、8891 h - 6 -HYPERLINK l _Toc343368892第一節(jié)位置和姿態(tài)的表示 PAGEREF _Toc343368892 h - 6 -HYPERLINK l _Toc343368893第二節(jié)坐標(biāo)變換 PAGEREF _Toc343368893 h - 7 -HYPERLINK l _Toc343368894第三節(jié)齊次變換 PAGEREF _Toc343368894 h - 8 -HYPERLINK l _Toc343368895第三章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) PAGEREF _Toc343368895 h - 11 -HYPERLINK l _Toc343368896第一節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

4、方程的表示 PAGEREF _Toc343368896 h - 11 -HYPERLINK l _Toc343368897第二節(jié)連桿變換矩陣及其乘積 PAGEREF _Toc343368897 h - 12 -HYPERLINK l _Toc343368898第四章機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng) PAGEREF _Toc343368898 h - 18 -HYPERLINK l _Toc343368899第一節(jié)傳感器原理簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc343368899 h - 18 -HYPERLINK l _Toc343368900第二節(jié)傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc343368900

5、h - 20 -HYPERLINK l _Toc343368901第五章機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù) PAGEREF _Toc343368901 h - 28 -HYPERLINK l _Toc343368902第一節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī) PAGEREF _Toc343368902 h - 28 -HYPERLINK l _Toc343368903第二節(jié)位置控制 PAGEREF _Toc343368903 h - 30 -HYPERLINK l _Toc343368904第六章機(jī)器人軌跡規(guī)劃 PAGEREF _Toc343368904 h - 35 -HYPERLINK l _Toc343368905第一節(jié)軌跡規(guī)

6、劃的一般性問(wèn)題 PAGEREF _Toc343368905 h - 35 -HYPERLINK l _Toc343368906第二節(jié)關(guān)節(jié)軌跡的插值 PAGEREF _Toc343368906 h - 35 -HYPERLINK l _Toc343368907第三節(jié)移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃 PAGEREF _Toc343368907 h - 38 - - -. z.第一章 機(jī)器人概論機(jī)器人概論研究的容在機(jī)器人研究中，我們通常在三維空間中研究物體的位置。這些物體可用兩個(gè)非常重要的特性來(lái)描述：位置和姿態(tài)。我們會(huì)首先研究如何用數(shù)學(xué)的方法表示和計(jì)算這些參量。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體的運(yùn)動(dòng)，而不考慮引起這種運(yùn)動(dòng)的力。在運(yùn)

7、動(dòng)學(xué)中，我們研究位置、速度、加速度和位置變量對(duì)于時(shí)間和其它變量的高階微分。其中，正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述各個(gè)關(guān)節(jié)變量在工具坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系間的函數(shù)關(guān)系；逆運(yùn)動(dòng)學(xué)通過(guò)給定工具坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)變量。機(jī)器人與外界環(huán)境相互作用時(shí)，在接觸的地方要產(chǎn)生力 和力矩 ，統(tǒng)稱(chēng)為操作力矢量。n個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力或力矩組成的n維矢量，稱(chēng)為關(guān)節(jié)力矢量。靜力學(xué)研究在靜態(tài)平衡狀態(tài)下，操作力向關(guān)節(jié)力映射存在著的線性關(guān)系。動(dòng)力學(xué)主要研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所需要的力。為了使操作臂從靜止開(kāi)場(chǎng)加速，使末端執(zhí)行器以一定的速度作直線運(yùn)動(dòng)，最后減速停頓，必須通過(guò)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一組復(fù)雜的力矩函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的感覺(jué)主要介紹產(chǎn)生機(jī)器人的力覺(jué)、視覺(jué)

8、、觸覺(jué)、接近覺(jué)等相關(guān)的傳感器。機(jī)器人的控制在前面的根底上設(shè)計(jì)位置控制系統(tǒng)，討論控制算法及給機(jī)器人編程等。什么是機(jī)器人？一般的理解：機(jī)器人是具有一些類(lèi)似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動(dòng)化裝置，它是個(gè)機(jī)器。特點(diǎn)：有類(lèi)人的功能。作業(yè)功能；感知功能；行走功能；能完成各種動(dòng)作.根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作。通過(guò)編程改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象和工作的一些要求。是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置，仍然是個(gè)機(jī)器機(jī)器人的定義：機(jī)器人學(xué)是一門(mén)不斷開(kāi)展的科學(xué)，上世紀(jì)60年代，可實(shí)用機(jī)械機(jī)器人被稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人；上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，正越來(lái)越向智能化方向開(kāi)展。因此，對(duì)機(jī)器人的定義也隨其開(kāi)展而變化。國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的定義很多：Th

9、e Webster dictionary (Webster, 1993) ：An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human. 一個(gè)自動(dòng)化設(shè)備，它能執(zhí)行通常由人執(zhí)行的任務(wù)；或一個(gè)人型的機(jī)器美國(guó)機(jī)器人學(xué)會(huì)The Robot Institute of America，1979)：A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts

10、, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks. 一個(gè)可再編程的多功能操作器，用來(lái)移動(dòng)材料、零部件、工具等；或一個(gè)通過(guò)編程用于完成各種任務(wù)的專(zhuān)用設(shè)備。ISO，1987：工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來(lái)看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，因此，機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的機(jī)器。機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的可以編程的自動(dòng)機(jī)械電子裝

11、置，能感知環(huán)境，識(shí)別對(duì)象，理解指示命令，有記憶和學(xué)習(xí)功能，具有情感和邏輯判斷思維，能自身進(jìn)化，能方案其操作程序來(lái)完成任務(wù)。機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、 生物學(xué)、控制論、人工智能、系統(tǒng)工程等多種學(xué)科于一體的綜合性很強(qiáng)的新技術(shù)機(jī)器人的開(kāi)展1954年，美國(guó)人G.Devol 和J.Engleberger設(shè)計(jì)了一臺(tái)可編程的機(jī)器人1961年，他們生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimates，并獲得了專(zhuān)利1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被稱(chēng)為機(jī)器人之父日本從上世紀(jì)70年代中后期開(kāi)場(chǎng)開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人，15年后就成為產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的世界工業(yè)機(jī)器人王國(guó)。 1978年

12、美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。1984年 英格伯格再推機(jī)器人Helpmate，這種機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送。同年，他還預(yù)言：我要讓機(jī)器人擦地板，做飯，出去幫我洗車(chē)，檢查平安。1998年 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人(Mind-storms)套件，讓機(jī)器人制造變得跟搭積木一樣，相對(duì)簡(jiǎn)單又能任意拼裝，使機(jī)器人開(kāi)場(chǎng)走入個(gè)人世界。1999年 日本索尼公司推出犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)，當(dāng)即銷(xiāo)售一空，從此娛樂(lè)機(jī)器人成為目前機(jī)器人邁進(jìn)普通家庭的途徑之一。2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Ro

13、omba，它能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線，還能在電量缺乏時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。Roomba是目前世界上銷(xiāo)量最大、最商業(yè)化的家用機(jī)器人。2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，比爾蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人很快將席卷全球主要機(jī)器人廠家日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等美國(guó)：Adept等歐洲：奧地利IGM、德國(guó)CLOOS、KUKA、瑞典ABB國(guó)：HYUNDAI新松 首鋼莫托曼 ABB為什么要開(kāi)展機(jī)器人？簡(jiǎn)單說(shuō)，機(jī)器人有三個(gè)方面是我們必要去開(kāi)展的理由：一個(gè)是機(jī)器人做人不愿意做的事，把人從有毒的、有

14、害的、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來(lái)，機(jī)器人可以做人做不好的活，比方說(shuō)在汽車(chē)生產(chǎn)線上工人天天拿著一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個(gè)點(diǎn)，做重復(fù)性的勞動(dòng)，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人做人做不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人開(kāi)展的一個(gè)理由，比方說(shuō)人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)展搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的三個(gè)問(wèn)題，也就是說(shuō)機(jī)器人開(kāi)展的三個(gè)理由。機(jī)器人開(kāi)展的三個(gè)階段第一代機(jī)器人，也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過(guò)一個(gè)計(jì)算機(jī)，來(lái)控制一個(gè)多自由度的一個(gè)機(jī)械，通過(guò)示教存儲(chǔ)程序和信息

15、，工作時(shí)把信息讀取出來(lái)，然后發(fā)出指令，機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時(shí)示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動(dòng)作，比方說(shuō)汽車(chē)的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個(gè)點(diǎn)焊的過(guò)程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對(duì)于外界的環(huán)境沒(méi)有感知，這個(gè)力操作力的大小，這個(gè)工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，第一代機(jī)器人存在這種缺陷。在20世紀(jì)70年代后期，人們開(kāi)場(chǎng)研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺(jué)的機(jī)器人，這種帶感覺(jué)的機(jī)器人是類(lèi)似人在*種功能的感覺(jué)，比方說(shuō)力覺(jué)、觸覺(jué)、滑覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和人進(jìn)展相類(lèi)比，有了各種各樣的感覺(jué)，比方說(shuō)在機(jī)器人抓一個(gè)物體的時(shí)候，它實(shí)際上力的大小能感覺(jué)出來(lái)，它能夠通過(guò)視覺(jué)，能夠去感受和識(shí)別它的形狀、大小、顏色。抓一個(gè)雞蛋，它

16、能通過(guò)一個(gè)觸覺(jué)，知道它的力的大小和滑動(dòng)的情況。第三代機(jī)器人，是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)理想的所追求的最高級(jí)的階段，叫智能機(jī)器人，只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動(dòng)，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，這個(gè)目前的開(kāi)展還是相對(duì)的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒(méi)有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，智能的概念越來(lái)越豐富，它涵越來(lái)越寬。機(jī)器人學(xué)1機(jī)器人根底理論與方法，如運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，作業(yè)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制與感知理論與技術(shù)、機(jī)器人智能。2機(jī)器人設(shè)計(jì)理論與技術(shù)，機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析和綜合、機(jī)器人構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)器人關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)、機(jī)器人仿真等。3機(jī)器人仿生學(xué)

17、，仿生運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)、仿生機(jī)構(gòu)學(xué)、仿生感知和控制理論、仿生器件設(shè)計(jì)和制造等4機(jī)器人系統(tǒng)理論，多機(jī)器人系統(tǒng)理論、機(jī)器人-人融合、以及機(jī)器人與其它機(jī)器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和交互。5機(jī)器人操作和移動(dòng)理論，機(jī)器人裝配理論、機(jī)器人移動(dòng)理論、足式機(jī)器人步態(tài)理論等。6微機(jī)器人學(xué)，微機(jī)器人的分析、設(shè)計(jì)、制造和控制等理論方法機(jī)器人的分類(lèi)機(jī)器人分類(lèi)方法很多按照技術(shù)水平劃分第一代：示教再現(xiàn)型，具有記憶能力。目前，絕大局部應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人均屬于這一類(lèi)。缺點(diǎn)是操作人員的水平影響工作質(zhì)量。第二代：初步智能機(jī)器人，對(duì)外界有反應(yīng)能力。局部已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)中。第三代：智能機(jī)器人，具有高度的適應(yīng)性，有自行學(xué)習(xí)、推理、決策等功能，處在研究階段

18、。按照根本構(gòu)造劃分直角坐標(biāo)型，也稱(chēng)機(jī)床型圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型全關(guān)節(jié)型按照受控運(yùn)動(dòng)方式劃分點(diǎn)位控制PTP型，Point to Point, 如點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人連續(xù)軌跡控制CP型，Continous Path，如弧焊、噴漆機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式劃分氣壓驅(qū)動(dòng)壓縮空氣液壓驅(qū)動(dòng)重型機(jī)器人，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用最多按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分工業(yè)機(jī)器人，面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。特種機(jī)器人，用于非制造業(yè)的各種機(jī)器人，效勞機(jī)器人、水下機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、軍用機(jī)器人等-. z.第二章機(jī)器人的數(shù)學(xué)根底第一節(jié) 位置和姿態(tài)的表示研究機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)需要建立一套運(yùn)動(dòng)的表示方法。為了描述機(jī)器人本身各

19、連桿之間、機(jī)器人和環(huán)境之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常將它們看作剛體。剛體的位置和姿態(tài)描述在直角坐標(biāo)系A(chǔ)中，任意一點(diǎn)P的位置可以用31列向量表示。稱(chēng)為位置矢量為了確定剛體B的姿態(tài)也稱(chēng)方位，設(shè)一個(gè)坐標(biāo)系B與該剛體固接。用坐標(biāo)系的三個(gè)單位主矢量*B，yB，zB相對(duì)于參考坐標(biāo)系A(chǔ)的方向余弦組成的33矩陣表示剛體B相對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)的姿態(tài)。稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)矩陣，也可表示成：旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的。按照上述定義，繞 * 軸旋轉(zhuǎn)了 角的旋轉(zhuǎn)矩陣，為：同樣也可以寫(xiě)出Ry，Rz，注意：旋轉(zhuǎn)方向按照右手法則總之，用位置矢量描述剛體的位置，用旋轉(zhuǎn)矩陣描述剛體的姿態(tài)方位為了完全描述剛體B在空間的位置和姿態(tài)，通常將剛體B與*一坐標(biāo)系相固接，通常記

20、為B，B的原點(diǎn)一般選在剛體B的特征點(diǎn)上，如質(zhì)心或?qū)ΨQ(chēng)中心等。對(duì)弧焊機(jī)器人中的焊槍可以將原點(diǎn)選在焊槍電極端部。則相對(duì)于參考坐標(biāo)系A(chǔ)，用位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣分別描述B原點(diǎn)位置及坐標(biāo)系的方位，即剛體B的位置和姿態(tài)可由坐標(biāo)系B來(lái)描述：當(dāng)表示位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)矩陣為單位陣；當(dāng)表示姿態(tài)時(shí)，位置矢量等于零。第二節(jié) 坐標(biāo)變換1、坐標(biāo)平移坐標(biāo)系B與A具有一樣的方位，但B的原點(diǎn)與A的原點(diǎn)不重合，則空間任意點(diǎn)P在A中的描述可以表示為：，稱(chēng)為坐標(biāo)平移方程。2、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系B與A原點(diǎn)重合，但兩者的方位不同，則空間任意點(diǎn)P在A中的描述可以表示為：，稱(chēng)為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程。3、一般變換坐標(biāo)系B與A既不共原點(diǎn)，方位亦不同，此時(shí)，例題2-

21、1：坐標(biāo)系的初始位姿與重合，首先相對(duì)于坐標(biāo)系的軸轉(zhuǎn)30度，再沿的軸移動(dòng)12個(gè)單位，并沿的軸移動(dòng)6個(gè)單位。求位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣。假設(shè)點(diǎn)p在坐標(biāo)系中的描述為，求它在坐標(biāo)系中的描述。解：根據(jù)題意得則第三節(jié) 齊次變換在空間直角坐標(biāo)系中，任意一點(diǎn)可用一個(gè)三維坐標(biāo)矩陣* y z表示。如果將該點(diǎn)用一個(gè)四維坐標(biāo)的矩陣H* Hy Hz H表示時(shí)，則稱(chēng)為齊次坐標(biāo)表示方法。在齊次坐標(biāo)中，最后一維坐標(biāo)H稱(chēng)為比例因子。比方齊次坐標(biāo)8,4,2、4,2,1表示的都是二維點(diǎn)2,1。(1)從普通坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成齊次坐標(biāo)時(shí)如果(*,y,z)是個(gè)點(diǎn)，則變?yōu)?*,y,z,1)；如果(*,y,z)是個(gè)向量，則變?yōu)?*,y,z,0)(2)從齊

22、次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成普通坐標(biāo)時(shí)如果是(*,y,z,1)，則知道它是個(gè)點(diǎn)，變成(*,y,z)；如果是(*,y,z,0)，則知道它是個(gè)向量，仍然變成(*,y,z)齊次坐標(biāo)變換用41列向量表示三維空間坐標(biāo)系中的點(diǎn)：稱(chēng)為齊次坐標(biāo)，齊次坐標(biāo)具有不唯一性。引入齊次坐標(biāo)后，一般變換變?yōu)椋悍Q(chēng)為齊次變換矩陣?yán)}2-2：點(diǎn)，對(duì)它進(jìn)展繞軸z旋轉(zhuǎn)90度至點(diǎn)v，點(diǎn)v繞y軸旋轉(zhuǎn)90度至點(diǎn)w，求點(diǎn)w的坐標(biāo)。在此根底上再進(jìn)展平移變換，求點(diǎn)w的坐標(biāo)。解：由旋轉(zhuǎn)齊次坐標(biāo)變換得同理經(jīng)過(guò)平移變換后，新的w的坐標(biāo)為-. z.第三章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)第一節(jié) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的表示A矩陣：一個(gè)描述連桿坐標(biāo)系間相對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換 。T矩陣：A矩陣的

23、乘積對(duì)于六連桿機(jī)械手，有以下T矩陣 ：一個(gè)六連桿機(jī)械手可具有六個(gè)自由度，每個(gè)連桿含有一個(gè)自由度，并能在其運(yùn)動(dòng)圍任意定位與定向。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方向原點(diǎn)由矢量p表示。接近矢量a：z向矢量方向矢量o：y向矢量法線矢量n：它與矢量o和a一起構(gòu)成一個(gè)右手矢量集合，并由矢量的交乘所規(guī)定：。因此，變換T6具有以下元素。六連桿機(jī)械手的T矩陣 T6 可由指定其16個(gè)元素的數(shù)值來(lái)決定。在這16個(gè)元素中，只有12個(gè)元素具有實(shí)際含義。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)由*個(gè)姿態(tài)變換規(guī)定之后，它在基系中的位置就能夠由左乘一個(gè)對(duì)應(yīng)于矢量p的平移變換來(lái)確定：第二節(jié) 連桿變換矩陣及其乘積廣義連桿 相鄰坐標(biāo)系間及其相應(yīng)連桿可以用齊次變換矩陣來(lái)表示

24、。要求出操作手所需要的變換矩陣，每個(gè)連桿都要用廣義連桿來(lái)描述。在求得相應(yīng)的廣義變換矩陣之后，可對(duì)其加以修正，以適合每個(gè)具體的連桿。機(jī)器人機(jī)械手是由一系列連接在一起的連桿桿件構(gòu)成的。需要用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述一個(gè)連桿，即公共法線距離和垂直于所在平面兩軸的夾角；需要另外兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示相鄰兩桿的關(guān)系，即兩連桿的相對(duì)位置和兩連桿法線的夾角，如下圖。一般稱(chēng)為連桿長(zhǎng)度，為連桿扭角，為兩連桿距離，為兩連桿夾角。機(jī)器人機(jī)械手上坐標(biāo)系的配置取決于機(jī)械手連桿連接的類(lèi)型。有兩種連接轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和棱柱聯(lián)軸節(jié)。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征參數(shù)為，為關(guān)節(jié)變量；對(duì)于棱柱聯(lián)軸節(jié)，其特征參數(shù)為，為關(guān)節(jié)變量，連桿長(zhǎng)度沒(méi)有意義，令其為0。連桿坐標(biāo)系

25、與連桿參數(shù)為了確定機(jī)器人各連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，需要確定連桿坐標(biāo)系，規(guī)定：坐標(biāo)系的z軸與關(guān)節(jié)軸共線，指向任意；坐標(biāo)系的*軸與與連桿的公垂線重合，指向由關(guān)節(jié)到關(guān)節(jié)；坐標(biāo)系的y軸按照右手法則規(guī)定，即根據(jù)所設(shè)定的連桿坐標(biāo)系，相應(yīng)的連桿參數(shù)定義如下：如下圖：用A矩陣表示T矩陣機(jī)械手的末端裝置即為連桿6的坐標(biāo)系，它與連桿坐標(biāo)系的關(guān)系可由表示為：可得連桿變換通式為 ：例1：如下圖為具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的3R機(jī)械手，求末端機(jī)械手在基坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。解：建立如下圖的參考坐標(biāo)系其中，例2：如下圖的三自由度機(jī)械手兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)加一個(gè)平移關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)稱(chēng)RPR機(jī)械手，求末端機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。解：建立如圖的坐標(biāo)系，則各

26、連桿的D-H參數(shù)為：由連桿的齊次坐標(biāo)公式有所以 式中 例3 PUMA 560機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程PUMA 560是屬于關(guān)節(jié)式機(jī)器人，6個(gè)關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。前3個(gè)關(guān)節(jié)確定手腕參考點(diǎn)的位置，后3個(gè)關(guān)節(jié)確定手腕的方位。各連桿坐標(biāo)系如以下圖所示。相應(yīng)的連桿參數(shù)列于表3.1中。表3.1 PUMA560機(jī)器人的連桿參數(shù)據(jù)課本公式(3.16)和表3.1所示連桿參數(shù)，可求得各連桿變換矩陣如下：各連桿變換矩陣相乘，得PUMA 560的機(jī)械手變換矩陣：即為關(guān)節(jié)變量的函數(shù)。-. z.第四章 機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)第一節(jié) 傳感器原理簡(jiǎn)介傳感器的定義傳感器：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的*些物理量通常為電量

27、的測(cè)量裝置。 傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)； 它的輸入量是*一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； 它的輸出量是*種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量； 輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的準(zhǔn)確程度。傳感器的組成及類(lèi)型傳感器的組成常見(jiàn)的傳感器類(lèi)型：電阻式傳感器變阻抗式傳感器光電式傳感器電勢(shì)式傳感器傳感器的原理應(yīng)變片：壓力 電阻光敏電阻：光強(qiáng) 電阻熱敏電阻： 溫度 電阻霍爾元件： 磁感應(yīng)強(qiáng)度 電壓非電學(xué)量 電學(xué)量傳感器例如-電阻式傳感器原理：金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。公式略力 形變 電

28、阻變化 電壓應(yīng)變片的作用應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器構(gòu)造示意圖1等強(qiáng)度梁 2質(zhì)量塊 3殼體 4電阻應(yīng)變片在低頻1060Hz振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。傳感器例如-光電式傳感器光敏電阻的工作原理及構(gòu)造當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加光電碼盤(pán)傳感器-工作原理用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。1光源 2柱面鏡 3碼盤(pán) 4狹縫 5元件第二節(jié) 傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用多傳感器在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用幾種主要的機(jī)器人傳感器簡(jiǎn)介視覺(jué) 20世紀(jì)50年代后期出現(xiàn)，開(kāi)展十分迅速，是機(jī)器人中最重要的傳感器之一

29、。 機(jī)器視覺(jué)從20世紀(jì)60年代開(kāi)場(chǎng)首先處理積木世界，后來(lái)開(kāi)展到處理室外的現(xiàn)實(shí)世界。 20世紀(jì)70年代以后，實(shí)用性的視覺(jué)系統(tǒng)出現(xiàn)了。視覺(jué)一般包括三個(gè)過(guò)程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。相對(duì)而言，圖像理解技術(shù)還很落后。 力覺(jué) 機(jī)器人力傳感器就安裝部位來(lái)講，可以分為關(guān)節(jié)力傳感器、腕力傳感器和指力傳感器。國(guó)際上對(duì)腕力傳感器的研究是從20世紀(jì)70年代開(kāi)場(chǎng)的。觸覺(jué) 作為視覺(jué)的補(bǔ)充，觸覺(jué)能感知目標(biāo)物體的外表性能和物理特性：柔軟性、硬度、彈性、粗糙度和導(dǎo)熱性等。對(duì)它的研究從20世紀(jì)80年代初開(kāi)場(chǎng)，到20世紀(jì)90年代初已取得了大量的成果。接近覺(jué) 研究它的目的是是使機(jī)器人在移動(dòng)或操作過(guò)程中獲知目標(biāo)障礙物的接近程度

30、。移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避障，操作機(jī)器人可防止手爪對(duì)目標(biāo)物由于接近速度過(guò)快造成的沖擊。機(jī)器人傳感器的分類(lèi)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可分為部傳感器和外部傳感器。a.部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)如手臂間角度的傳感器。多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。1位置傳感器2角度傳感器b.外部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境如是什么物體，離物體的距離有多遠(yuǎn)等及狀況如抓取的物體是否滑落的傳感器。具體有物體識(shí)別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺(jué)傳感器、距離傳感器、力覺(jué)傳感器，聽(tīng)覺(jué)傳感器等。機(jī)器人的觸覺(jué)一般認(rèn)為觸覺(jué)包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)四種，狹義的觸覺(jué)按字面上來(lái)看是指前三種感知接觸的感覺(jué)。1. 接觸覺(jué)傳感器 例如，開(kāi)關(guān)式觸覺(jué)傳感器特

31、點(diǎn)：外形尺寸十分大空間分辨率低利用陣列這一概念已開(kāi)發(fā)了許多重要的傳感器。碳?xì)諧SA靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力。缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。導(dǎo)電橡膠的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來(lái)作為觸覺(jué)傳感器的敏感材料。擬人化皮膚傳感器利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成。另外還有光學(xué)式觸覺(jué)傳感器、電容式陣列觸覺(jué)傳感器等。2. 壓覺(jué)傳感器略3. 力覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片。通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類(lèi)： 1裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱(chēng)為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反應(yīng)。2裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱(chēng)為腕力傳感器。3裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)或手指

32、上的力傳感器，稱(chēng)為指力傳感器。SRI傳感器SRI Stanford Research Institute研制的六維腕力傳感器，如下圖。它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。圖中從P*+到Qy-代表了8根應(yīng)變梁的變形信號(hào)的輸出。日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式構(gòu)造，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根穿插梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片圖中以小方塊，組成8路全橋輸出 。三梁腕力傳感器傳感器的圈和外圈分別固定于機(jī)器人的手臂和手爪，力沿與圈相切的三根梁進(jìn)展傳遞。每根梁上下、左右個(gè)貼一對(duì)應(yīng)變

33、片，三根梁上共有6對(duì)應(yīng)變片，分別組成六組半橋，對(duì)這6組電橋信號(hào)進(jìn)展解耦可得到六維力力矩的準(zhǔn)確解。4. 滑覺(jué)傳感器機(jī)械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取無(wú)感知時(shí)采用 ：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟抓取有滑覺(jué)傳感器時(shí)采用：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)固抓取工件的最小值，以免損傷工件。它由一個(gè)金屬球和觸針組成，金屬球外表分成許多個(gè)相間排列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件滑動(dòng)時(shí)，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在觸針上輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率反映了滑移速度，個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)滑移的距離。根據(jù)振動(dòng)原理制成的滑覺(jué)傳感器。鋼球指針與被抓物體接觸。假設(shè)工件滑動(dòng)，則指針振動(dòng)，線圈輸出信號(hào)

34、。機(jī)器人的接近覺(jué)接近覺(jué)主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度?；魻栃?yīng)指的是金屬或半導(dǎo)體片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)?；魻杺鞲衅鲉为?dú)使用時(shí)，只能檢測(cè)有磁性物體。當(dāng)與用磁體聯(lián)合使用時(shí)，可以用來(lái)檢測(cè)所有的鐵磁物體。傳感器附近沒(méi)有鐵磁物體時(shí)，霍爾傳感器感受一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)；假設(shè)有鐵磁物體時(shí)，由于磁力線被鐵磁物體旁路，傳感器感受到的磁場(chǎng)將減弱。其它還有光學(xué)接近覺(jué)、超聲波接近覺(jué)傳感器等。另外還有接觸覺(jué)、滑覺(jué)和接近覺(jué)三種感覺(jué)組合為一體的傳感器。機(jī)器人的視覺(jué)1、超聲波傳感器從廣義上講，我們也把它算成機(jī)器人視覺(jué)中的一種。超聲波探測(cè)原理比擬簡(jiǎn)單，一般是采用時(shí)差法。=t2其中的函數(shù)為

35、超聲波波速，為環(huán)境攝氏溫度超聲波傳感器主要用途：1實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，用以進(jìn)展自定位；2實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；3檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)展簡(jiǎn)單形體的識(shí)別；4用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。2、CCD電荷耦合器件：charge coupled devicesCCD 電荷耦合器件的根本構(gòu)造是一個(gè)間隙很小的光敏電極陣列，即無(wú)數(shù)個(gè)CCD單元組成，也稱(chēng)為像素點(diǎn)如448380。它可以是一維的線陣，也可以是二維的面陣。機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)略多傳感器信息融合多傳感器信息融合技術(shù)是通過(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)*種準(zhǔn)則進(jìn)展組合，以獲取被觀測(cè)對(duì)象的一致性

36、解釋或描述。多傳感與單傳感的比擬：多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)可更大程度獲取被探測(cè)目標(biāo)和環(huán)境的信息量。單傳感器信號(hào)處理或低層次的數(shù)據(jù)處理方式只是對(duì)人腦信息處理的一種低水平模仿。多傳感器融合系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：1提供了冗余、互補(bǔ)信息。2信息分層的構(gòu)造特性。3實(shí)時(shí)性。4低代價(jià)性。三種構(gòu)造形式：串聯(lián)、并聯(lián)和混合融合形式多傳感器融合常用的方法有：加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、DS證據(jù)推理、模糊邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能的方法。-. z.第五章 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)第一節(jié) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的部件，最常用的是電機(jī)，此外還有液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。一個(gè)機(jī)器人最主要的控制量就是控制機(jī)器人

37、的移動(dòng)，無(wú)論是自身的移動(dòng)還是手臂等關(guān)節(jié)的移動(dòng)，所以機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器中最根本的問(wèn)題就是控制電機(jī)?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，就可以控制機(jī)器人移動(dòng)的距離和方向，機(jī)械手臂的彎曲的程度或者移動(dòng)的距離等。第一個(gè)要解決的問(wèn)題是如何讓電機(jī)能根據(jù)要求轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，有專(zhuān)門(mén)的控制卡和控制芯片來(lái)進(jìn)展控制的。通過(guò)把微控制器和控制卡連接起來(lái)，就可以用程序來(lái)控制電機(jī)了。第二個(gè)問(wèn)題是控制電機(jī)的速度，在機(jī)器人上的實(shí)際表現(xiàn)就是機(jī)器人或者手臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，需要控制卡對(duì)電機(jī)有速度控制。 電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。常采用的電動(dòng)機(jī)為：直流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)直流、交流伺服電機(jī)直流電機(jī)是最普通的電機(jī)，速度控

38、制相比照擬簡(jiǎn)單。直流電機(jī)最大的問(wèn)題是沒(méi)法準(zhǔn)確控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就位置控制。必須加上一個(gè)編碼盤(pán)，來(lái)進(jìn)展反應(yīng)，來(lái)獲得實(shí)際轉(zhuǎn)的圈數(shù)。步進(jìn)電機(jī)顧名思義是一步一步前進(jìn)的，也就是說(shuō)它可以一個(gè)角度一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，不象直流電機(jī)，可以很輕松的調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。如果發(fā)出一個(gè)轉(zhuǎn)10圈的指令，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)11圈，但是如果是直流電機(jī)，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn)11圈半。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過(guò)控制電機(jī)的頻率來(lái)獲得的。一般控制信號(hào)頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)常應(yīng)用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，特點(diǎn)為具有較大的低速轉(zhuǎn)矩，可直接驅(qū)動(dòng)。主要分為三類(lèi)：永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：轉(zhuǎn)子由磁性材料制成，具有低力矩、低速度、低本錢(qián)

39、的特點(diǎn)。一般用于計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備打印機(jī)、光驅(qū)等變磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：沒(méi)有磁性材料，不通電時(shí)，沒(méi)有保持力矩，也稱(chēng)感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：上述原理的結(jié)合，是目前應(yīng)用越來(lái)越廣的一種。直流伺服電機(jī)20世紀(jì)80年代中期以前被廣泛使用，優(yōu)點(diǎn)為易于控制，缺點(diǎn)是需要定期維護(hù)，速度不能太高，功率不能太大。定子磁場(chǎng)是永磁鐵提供的，線圈入電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，需要換向器改變電流方向。受換向器電刷影響，需要定期維護(hù)，且速度不能太高。由于線圈繞在轉(zhuǎn)子上，散熱問(wèn)題不易解決，功率不能太大。交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁的，線圈繞在定子上，沒(méi)有電刷。線圈交變電流。轉(zhuǎn)子上裝有碼盤(pán)傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置

40、，控制通電方向。由于線圈繞在定子上，可以通過(guò)外殼散熱，可做成大功率電機(jī)。沒(méi)有電刷，免維護(hù)。是目前在機(jī)器人上應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。和步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1、實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克制了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；2、高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能到達(dá)20003000轉(zhuǎn)；3、抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用；4、低速運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。5、電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之；6、發(fā)熱和噪音明顯降低。減速機(jī)一般情況下，電機(jī)都沒(méi)法直接帶動(dòng)輪子或者手臂等機(jī)器人部件，因?yàn)樗俣冗^(guò)高力矩不夠大，

41、所以為了提高控制精度，增大驅(qū)動(dòng)力矩，一般均需配置減速機(jī)減速箱。配置減速機(jī)的代價(jià)是電機(jī)速度的減小。例如，一個(gè)1:250的齒輪減速箱，會(huì)讓電機(jī)的輸出力矩增大250倍，但速度只有原來(lái)的1/250。通常先計(jì)算出機(jī)器人所需要的速度與力矩大小，然后根據(jù)速度與力矩選擇電機(jī)與減速器。微型伺服電機(jī)示意圖第二節(jié) 位置控制工業(yè)機(jī)器人常用的控制構(gòu)造形式：機(jī)器人控制器具有多種構(gòu)造形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反應(yīng)控制、力力矩控制、基于傳感器的控制、非線性控制、分解加速度控制、滑模控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、遞階控制以及各種智能控制。機(jī)器人控制器的選擇是由機(jī)器人所執(zhí)行的任務(wù)決定的，技術(shù)水平越高的機(jī)器人所需要的

42、智能越高機(jī)器人的主要控制層次分三個(gè)層次：人工智能級(jí)、控制模式級(jí)、伺服系統(tǒng)級(jí)1人工智能級(jí) 完成從機(jī)器人工作任務(wù)的語(yǔ)言描述 生成*(t)； 仍處于研究階段。2控制模式級(jí) 建立*(t)T(t)之間的雙向關(guān)系。電機(jī)模型傳動(dòng)模型關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型機(jī)器人模型3伺服系統(tǒng)級(jí)解決關(guān)節(jié)伺服控制問(wèn)題機(jī)器人是由多軸關(guān)節(jié)組成，每軸的運(yùn)動(dòng)都影響機(jī)器人未端的位置和姿態(tài)。如何協(xié)調(diào)各軸的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端完成要求的軌跡， 是需要解決的問(wèn)題。由于絕大多數(shù)機(jī)器人是關(guān)節(jié)式運(yùn)動(dòng)形式，很難直接檢測(cè)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)，只能對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)展控制。屬于半閉環(huán)系統(tǒng)，即僅從電動(dòng)機(jī)軸上閉環(huán)。微型伺服電機(jī)工作例如減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的

43、比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反應(yīng)給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比擬，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而到達(dá)使伺服馬達(dá)準(zhǔn)確定位的目的。控制周期脈沖寬度為20ms。送出不同的正脈沖寬度時(shí)，就可以得到不同的控制效果。控制正脈沖寬度如下：正脈沖寬度為0.3ms時(shí)，伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)。正脈沖寬度為2.5ms時(shí)，伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)。正脈沖寬度為1.4ms時(shí)，伺服馬達(dá)回到中點(diǎn)。目前機(jī)器人根本操作方式為示教再現(xiàn)，示教時(shí)，不能將軌跡上的所有點(diǎn)都示教一遍，一是費(fèi)時(shí)，二是占用大量的存儲(chǔ)器。實(shí)際上，對(duì)于有規(guī)律的軌跡，僅示

44、教幾個(gè)特征點(diǎn)。對(duì)直線軌跡，僅示教兩個(gè)端點(diǎn)；對(duì)圓弧軌跡，示教三點(diǎn)起點(diǎn)、終點(diǎn)、中間點(diǎn)，軌跡上其它中間點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)插補(bǔ)方法獲得。插補(bǔ)方式： 定時(shí)插補(bǔ)每隔一定時(shí)間插補(bǔ)一次，插補(bǔ)時(shí)間間隔Ts一般不超過(guò)25ms 定距插補(bǔ)每隔一定距離插補(bǔ)一次，可防止快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，定時(shí)插補(bǔ)造成的軌跡失真。但也受伺服周期限制。插補(bǔ)算法： 直線插補(bǔ)將兩示教點(diǎn)之間按照直線規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)坐標(biāo)。圓弧插補(bǔ)按圓弧規(guī)律計(jì)算中間點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)不是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的，而是協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的。即需要對(duì)各關(guān)節(jié)以協(xié)調(diào)的位置和速度進(jìn)展控制。因此，有必要研究機(jī)器人的分解運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題，包括分解運(yùn)動(dòng)速度、加速度和力控制。分解運(yùn)動(dòng)意味著各關(guān)節(jié)馬達(dá)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，并分解

45、為沿各笛卡爾坐標(biāo)軸的獨(dú)立可控運(yùn)動(dòng)。這就要求幾個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)必須以不同的時(shí)變速度同時(shí)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)沿各坐標(biāo)軸方向所要求的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。-. z.第六章 機(jī)器人軌跡規(guī)劃第一節(jié) 軌跡規(guī)劃的一般性問(wèn)題這里所謂的軌跡是指操作臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度和加速度。常見(jiàn)的機(jī)器人作業(yè)有兩種：點(diǎn)位作業(yè)PTP=point-to-point motion連續(xù)路徑作業(yè)continuous-path motion，或者稱(chēng)為輪廓運(yùn)動(dòng)contour motion。操作臂最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種：第一種是要求對(duì)于選定的軌跡結(jié)點(diǎn)插值點(diǎn)上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束例如連續(xù)性和光滑程度等，軌跡規(guī)劃器從一類(lèi)函數(shù)例如n次多項(xiàng)式選取參數(shù)化軌跡，對(duì)結(jié)點(diǎn)進(jìn)展插值，并滿(mǎn)足約束條件。第二種方法要求給出運(yùn)動(dòng)路徑的解